Выбор плёночных конденсаторов для применения в Hi-Fi- и High-End-аудиотехнике. Часть 2. Основные характеристики конденсаторов

• Часть 1. Устройство, свойства и параметры
• Часть 3. Практические расчёты

Любой конденсатор является электростатическим пассивным элементом, который накапливает энергию в виде заряда на своих проводящих, но электрически изолированных обкладках. Процесс накопления энергии электрического поля конденсатором зависит от размера обкладок (S), расстояния между ними (d) и свойств изолирующего материала. Математически ёмкость конденсатора можно выразить следующей формулой:

где диэлектрическая проницаемость (ε) – безразмерная физическая величина, показывающая степень поляризации материала под воздействием электрического поля в диэлектрике. Диэлектрическая проницаемость может быть выражена как ε = ε_s / ε₀, где ε – диэлектрическая проницаемость, ε_s – диэлектрическая проницаемость материала среды, ε₀ – диэлектрическая проницаемость вакуума.

Так, например, для полиэстера ε=3,3, а для полипропилена ε=2,2. Учитывая, что ёмкость конденсатора

при замене диэлектрика в конденсаторе изменение ёмкости будет:

То есть в таком же по размеру конденсаторе, с равными по площади S пластинами и расстояниями d между ними ёмкость уменьшится в 1,5 раза.

Минимальная толщина плёнки – также важный параметр, так как, с одной стороны, он определяет расстояние между обкладками конденсатора d, и чем меньше оно будет, тем больше окажется ёмкость. Но с другой стороны, чем меньше слой диэлектрика, тем может быть ниже напряжение пробоя.

Диапазон напряжений – это диапазон номинальных напряжений. Под номинальным напряжением понимается максимально допустимое рабочее напряжение. Если на конденсатор подаётся переменная составляющая с пиковым U_max и постоянная U_DC, то номинальное напряжение U_R должно быть не меньше их суммы:

ΔС/С в рабочем диапазоне температур – изменение ёмкости конденсатора при граничных рабочих температурах. Численно этот параметр можно выразить как

Зависимость ёмкости от температуры нелинейная, и часто производители приводят соответствующий график. Типичный пример (рис. 5) для плёночных полипропиленовых (PP), полиэтилентерефталатных(PET) и полиэтиленнафталатных (PEN) конденсаторов:

Рис. 5. Типичные зависимости ёмкости от температуры для полипропиленовых (PP), полиэтилентерефталатных (PET) и полиэтиленнафталатных (PEN) конденсаторов.

Если конденсатор подвергается циклическому изменению температуры от T_min до T_max, то могут наблюдаться необратимые изменения между начальной и конечной ёмкостями. Это отклонение получило название циклического дрейфа ёмкости и выражается в процентах от ее номинального значения (рис. 6).

Рис. 6. График циклического дрейфа ёмкости. Во время работы конденсаторов при высоких температурах происходит внутренняя деградация диэлектрика, вследствие чего уменьшается ёмкость при нормальных условиях (T=25°C. P=760 мм рт. ст.)

Для плёночных конденсаторов этот параметр обычно очень мал. Однако в сигнальных цепях усилителей, подверженных нагреву из-за расположенных рядом мощных транзисторов или ламп, нужно учитывать этот параметр. Плёночные и фольговые конденсаторы крайне не рекомендуется подвергать нагреву выше максимально допустимой рабочей температуры для конкретного экземпляра конденсатора. Типичные значения максимальных рабочих температур:

• для полипропиленовых (PP) конденсаторов: 105°C
• для полиэтилентерефталатных (PET): 125°C
• для полиэтиленнафталатных (PEN) 125°C
• для полипропиленовых конденсаторов с масляной пропиткой: 85°C
• для фольговых бумажно-масляных и бумажно-восковых: 80°C

При высоких температурах эксплуатации, достигающих 70% и выше от максимально-допустимой рабочей температуры конденсатора, его характеристики ухудшаются. Для номинального напряжения вводится так называемый фактор снижения, который обозначает снижение рабочего напряжения при высоких температурах.

Рассмотрим эффект, который может существенно повлиять на звук. Он связан с изменением ёмкости в зависимости от частоты колебания напряжения на конденсаторе. Надо заметить, что в отличие от конденсаторов других типов, все плёночные не подвержены такому эффекту. На графике (рис. 7) видно, что полипропиленовые конденсаторы (PP) имеют практически линейную характеристику: уменьшение ёмкости на доли процента происходит на частотах выше 20 кГц. Уменьшение на 1% ёмкости у конденсаторов с полиэтилентерефталатными и полиэтиленнафталатными диэлектриками может стать причиной отказа от них для High–End-приложений.

Рис. 7. Графики зависимости ёмкости от частоты напряжения для полипропиленовых (PP), полиэтилентерефталатных (PET) и полиэтиленнафталатных (PEN) конденсаторов.

Тангенс угла диэлектрических потерь (tgδ) характеризует потери энергии электрического поля, приходящиеся на его рассеяние в диэлектрике. Он определяется отношением активной мощности к реактивной при синусоидальном напряжении определенной частоты. Значение тангенса угла потерь диэлектрика зависит от его качества, температуры окружающей среды и от частоты переменного тока, на которой он измеряется.

Рассмотрим потери электростатической энергии в конденсаторе более подробно. В цепях переменного тока происходит процесс изменения полярности на обкладках конденсатора. В его результате трение в молекулярных структурах трансформируется в тепло. Потери такого же рода в конденсаторе происходят из-за резистивных потерь в частях конденсатора: выводах, металлическом контактном слое и электродах. Упрощённая эквивалентная схема конденсатора представлена на рис. 8.

Рис. 8. Эквивалентная схема конденсатора, в которой L – эквивалентная индуктивность, RS – эквивалентное последовательное сопротивление, C – ёмкость

Как видно из диаграммы на рис. 9, для частот значительно ниже собственной резонансной частоты конденсатора (L и US очень малы), RS смещает фазу между напряжением и током чуть менее чем на 90 градусов. Разность между углом фазы и 90о представляет собой угол диэлектрических потерь δ, который определяется через тангенс диэлектрических потерь tgδ, то есть отношением эквивалентного последовательного сопротивления RS к ёмкостной реактивной составляющей

Можно показать, что тангенс угла диэлектрических потерь также является отношением активной мощности к реактивной (δ=P_A/P_A). Рассеянная мощность может быть представлена как функция напряжения US, выраженная через эквивалентное последовательное сопротивление RS или через протекающий через него ток:

Так как

и для плёночных конденсаторов tgδ = 2πƒ∙R_S∙C≪0,1, то

Тогда мощность может быть рассчитана как P = 2πƒ∙C∙tgδ∙U² или P = (2π∙C)²∙R∙U²

Рис. 9. Диаграмма диэлектрических потерь

Тангенс угла диэлектрических потерь и эквивалентное последовательное сопротивление очень важны, так как они характеризуют тепловые потери энергии электрического поля, а значит и затухание звукового сигнала.

Самовосстановление

Плёночные конденсаторы обладают выдающимися характеристиками по скорости заряда и разряда, что делает их незаменимыми в сетевых фильтрах блоков питания. В сети часто возникают высокоэнергичные импульсы, которые нередко становятся причиной выхода из строя электронных приборов, питающихся от сети. Плёночные конденсаторы могут частично защитить цепи питания, сглаживая такие сетевые помехи. При этом их рабочие свойства меняются незначительно. Данное свойство получило название самовосстановление, так как оно обуславливается способностью самостоятельно избавляться в процессе работы от дефектов (например, пор и примесей в плёнке).

Рассмотрим суть процесса, основываясь на рис. 10. Плёночные конденсаторы имеют металлическое покрытие, нанесённое в вакууме непосредственно на пластиковую плёнку; оно имеет толщину всего лишь 20 .. 50 нм. В результате импульсной перегрузки по напряжению в конденсаторе может случиться локальный пробой диэлектрика. В этот момент происходит дуговой разряд, под действием которого за несколько микросекунд испаряется металлическое покрытие в области пробоя. Металл и диэлектрик выбрасываются за пределы места пробоя, и там образуется непроводящая область. Во время и после этого события конденсатор сохраняет свою функциональность. Из-за уменьшения эффективной площади обкладок после него ёмкость конденсатора в 0,1-1 мкФ уменьшается на очень незначительную величину, не превышающую 100 пФ. С учётом ёмкости конденсатора такие пробои могут быть обнаружены только с помощью прецизионного измерительного оборудования.

Рис. 10. Схематическое изображение области возникновения дугового разряда между обкладками.

• Зазор между диэлектриком и электродом с газообразными парами металла и диэлектрика
• Зона плазмы
• Граничная зона между плазмой и газовыми образованиями
• Канал пробоя диэлектрика
• Зона газообразного диэлектрика
• Зона переместившегося диэлектрика и металлизации
• Зона плазмы

Влагопоглощаемость – характеристика конденсаторов, определяющая, как будет меняться ёмкость конденсатора при изменении влажности рабочей среды. В зависимости от типов конструкции и диэлектрика, а также наличия воздушного зазора между обкладками различные плёночные конденсаторы могут вести себя очень по-разному. Если температура и относительная влажность рабочей среды, указанные производителем, не будут превышать допустимых значений, то процесс изменения ёмкости будет обратимым. В противном случае – нет.

Диэлектрическая абсорбция

В процессе заряда конденсатора происходит накопление его носителей на обкладках, в то же время между обкладками конденсатора существует электрическое поле, силовые линии которого проходят через диэлектрическую плёнку, разделяющую обкладки. В диэлектриках нет свободных носителей заряда, но молекулы диэлектрика при этом имеют в своей структуре положительно и отрицательно заряженные ионы, за счёт которых в них образуются два полюса. Такие молекулы называют диполями. Взаимодействуя с внешним электрическим полем, диполи поворачиваются и выстраиваются вдоль силовых линий электрического поля.

Рис. 11

На данном графике видно, как изменяется напряжение между обкладками конденсатора во времени при саморазряде, коротком замыкании, и как восстанавливается заряд на обкладках за счёт диэлектрической абсорбции.

При быстром разряде в диэлектрике происходит обратный процесс, в котором диполи начинаются вращаться и приходить в обычное «расслабленное» состояние; это явление называют диэлектрической релаксацией. При этом на поверхностях диэлектрика возникает разность потенциалов, которую также называют дипольной поляризацией. У плёночных конденсаторов она минимальна и составляет меньше 1% от их рабочего напряжения, в отличие, например, от электролитических, где она может достигать 15%. Диэлектрическая релаксация сопровождается выделением тепловой энергии и приводит к диэлектрическим потерям, что отражается на величине тангенса угла диэлектрических потерь, о котором мы говорили ранее.

Плёночные конденсаторы благодаря своей совокупной постоянной ёмкости, практически не зависящей от температуры и рабочего напряжения, очень низким диэлектрическим потерям, высоким импульсным токам, диапазону доступных ёмкостей и умеренным габаритам нашли широчайшее применение не только в аудиотрактах HighEnd-класса (рис. 12) и профессиональной звукозаписывающей аппаратуре, но и в прецизионном измерительном оборудовании, медицинской и военной технике – на суше, под водой и даже в космосе. Менее распространены их предшественники – фольговые конденсаторы, изготовленные с использованием ретроградных диэлектриков в виде промасленной бумаги и натурального пчелиного воска. Там, где цена, а также плохие массогабаритные показатели не имеют значения, а искажения недопустимы, используются и они. Чаще всего их приложениями являются кроссоверы акустических систем. Еще они встречаются в роли проходных конденсаторов в High-End-аппаратуре (рис. 13).

Рис. 12. Mundorf MCAP EVO Aluminium Oil (плёночно-фольговый конденсатор полипропиленово-масляный) в ламповом усилителе Prima Luna Prologue One High-End-класса.

Рис. 13. Ламповый предусилитель ЦАП High-End-класса оснащен четырьмя конденсаторами Duelund CAST PIO-CU (медные фольговые с бумажно-масляным диэлектриком)